解析隧道穿越大型溶槽坍方地段施工技術(shù)研究

楊建華

摘要：本文以隧道穿越大型溶槽塌方地段施工為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際工程案例及筆者長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其施工技術(shù)做出相應(yīng)探究。主要包括對(duì)項(xiàng)目工程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹；闡述了施工地段材料物理力學(xué)參數(shù)的確定過(guò)程；通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行了分析；最后總結(jié)處理效果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)學(xué)者開(kāi)展此類(lèi)研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隧道工程；巖溶路段；溶槽塌方；施工技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3024（2016）22-0069-431

引言

隧道穿越大型溶槽塌方路段時(shí)，隧道施工很容易出現(xiàn)與大型溶槽相遇的情況，極易造成安全隱患。主要表現(xiàn)在該地段圍巖具有軟弱性，出現(xiàn)塌方的可能性較大。因此，隧道在此路段施工時(shí)必須根據(jù)實(shí)際情況采取正確的施工技術(shù)，降低安全隱患，避免出現(xiàn)塌方帶來(lái)的損失。

1工程概況

云腳隧道地處云貴高原向廣西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，屬烏蒙山脈東南側(cè)邊緣山區(qū)?？傮w地勢(shì)北西高，南東低。場(chǎng)區(qū)海拔680.0～852.0m，相對(duì)高差172.0m，軸線段通過(guò)段地面高程為690.00～745.0m之間，相對(duì)高差55.0m。隧道圍巖為碎石土，強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，薄～中厚層狀，鉆探揭露溶洞及溶槽發(fā)育。云腳隧道全段為V級(jí)圍巖，最大埋深40.96m，屬于淺埋隧道，施工中圍巖大變形、突水涌水、圍巖失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)極大，必須引起足夠的重視。雨季有淋雨?duì)畛鏊_(kāi)挖后泥巖夾層失水易干裂、遇水易軟化使圍巖松馳變形，故應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，以防止坍塌、進(jìn)而冒頂；泥質(zhì)灰?guī)r段溶洞及溶槽發(fā)育，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，防止突水突泥發(fā)生。

2材料物理力學(xué)參數(shù)確定

2.1巖石力學(xué)試驗(yàn)。地段材料物理性能參數(shù)主要包括混凝土層力學(xué)參數(shù)、圍巖物理力學(xué)參數(shù)和錨桿物理參數(shù)等。其中，巖石力學(xué)試驗(yàn)中單軸壓縮試驗(yàn)作為測(cè)量地段材料性能最為基礎(chǔ)也是最為實(shí)用的方法得到了廣泛應(yīng)用。本案列中，試驗(yàn)選擇全數(shù)控液壓伺服剛性巖石實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其中，實(shí)驗(yàn)所用灰?guī)r樣品可直接從隧道現(xiàn)場(chǎng)出選取，通過(guò)適當(dāng)切割、端面磨平等工藝加工為試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)圓柱形樣品。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求方法進(jìn)行。之后，通過(guò)隧道勘測(cè)數(shù)據(jù)以及巖石的力學(xué)試驗(yàn)，選取圍巖的彈性模量，并按照隧道施工設(shè)計(jì)規(guī)范選取其他參數(shù)。

2.2計(jì)算模型建立。通常，巖土材料具有彈塑性，因此，根據(jù)彈塑性理論進(jìn)行研究。在缺少一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，為便于問(wèn)題的簡(jiǎn)化計(jì)算，混凝土材料根據(jù)線彈性本構(gòu)關(guān)系解決，圍巖材料選擇理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系?？紤]到巖土材料的受壓特點(diǎn)，模擬準(zhǔn)則選用一直線性破壞準(zhǔn)則，該方法還具有忽略中間主應(yīng)力影響、方便實(shí)用等特點(diǎn)，且應(yīng)用廣泛。此外，為便于降低邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響，選擇計(jì)算范圍沿洞徑不同方向的四倍洞徑較為合適。隧道施工過(guò)程中，將施工分為多個(gè)階段進(jìn)行，其中溶槽作為右側(cè)隧道模型的中間部分，并按照相應(yīng)勘測(cè)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化溶槽為橢圓柱。圖1即為有限元模型：

3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

本文中數(shù)值模擬結(jié)果分析與預(yù)測(cè)主要有邊墻水平收斂值、拱頂沉降、拱頂最大主應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)等幾個(gè)部分。其中：模擬得到邊墻水平收斂值表明，當(dāng)隧道開(kāi)挖至溶槽部位時(shí)，斷面邊墻收斂值受到的影響不大，而斷面前十米處收斂值受到的影響明顯變大。最終得出結(jié)論，溶槽會(huì)在一定程度上造成溶槽部位邊墻收斂值得增大；拱頂沉降結(jié)果顯示不同監(jiān)測(cè)斷面處的拱頂沉降具有抑制的變化趨勢(shì)，而溶槽因素對(duì)于隧道拱頂?shù)某两禌](méi)有明顯的影響關(guān)系；拱頂最大主應(yīng)力結(jié)果表明，不同監(jiān)測(cè)斷面最大應(yīng)力與最小應(yīng)力有一定區(qū)別，但變化并不明顯，而相對(duì)其他斷面而言，位于巖溶區(qū)域處，拱頂最大主應(yīng)力明顯增大；圍巖塑性區(qū)可通過(guò)圍巖有效塑性應(yīng)變情況（如應(yīng)變大小和分布范圍等）進(jìn)行判斷，數(shù)值模擬結(jié)果表明，塑性區(qū)域大部分位于拱頂以及溶槽同拱底圍巖的交叉部位，此外，拱腳出也有明顯的塑性區(qū)。

4施工技術(shù)分析

本工程實(shí)例中，施工技術(shù)特點(diǎn)主要包括：（1）針對(duì)淺埋隧道拱頂巖溶地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)及淺埋巖溶地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行了相應(yīng)分析，使得隧道施工之前更全面掌握了拱頂溶洞填充物剝落的規(guī)律。（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，分析填充物的物理力學(xué)性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值分析，對(duì)巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析與結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)。（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)與數(shù)值分析及相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)等手段，基于上述研究成果并結(jié)合巖溶區(qū)溶腔充填物剝落的隧道施工輔助措施，對(duì)防控技術(shù)進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。對(duì)上述試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容找到淺埋隧道拱頂巖溶填充物持續(xù)剝落處治施工技術(shù)的破解答案和工程施工對(duì)策，確保拱頂存在巖溶填充物持續(xù)剝落的淺埋隧道處治施工技術(shù)，保證施工能夠安全通過(guò)，工程質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

5處理效果與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在隧道穿越溶槽塌方地段施工過(guò)程中，施工前需重點(diǎn)做好地質(zhì)勘測(cè)與預(yù)報(bào)工作、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)工作。提前進(jìn)行預(yù)加固處理，便于在保證隧道施工安全的同時(shí)，也可以適當(dāng)節(jié)約成本、縮短工期。

對(duì)高壓注漿施工段，開(kāi)挖時(shí)需檢驗(yàn)塌體的注漿效果，避免出現(xiàn)部分地段注漿效果不好而影響隧道安全施工的情況。在技術(shù)處理方面，巖爆、瓦斯等預(yù)報(bào)問(wèn)題依然應(yīng)當(dāng)突出，陸地聲納法、瞬變電磁法、復(fù)合式激發(fā)極化法等對(duì)斷層、溶洞的探測(cè)有較好的效果，且技術(shù)已逐步成熟，未來(lái)可以考慮深化該技術(shù)研究方法。